[发明专利]半导体器件

说明书

本申请是申请日为2007年10月25日、申请人为日本电气株式会社、发明名称为“半导体器件”、申请号为200780040960.9的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种半导体器件，尤其涉及一种在移动电话基站、卫星通讯、雷达等中使用的高输出功率放大器、高输出激光二极管、发光二极管等。

背景技术

使用诸如硅(Si)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)等的半导体的高输出功率放大器广泛地应用于移动电话基站的功率放大器或在人造卫星等中安装的功率放大器。在这些应用中放大器需要超过100W的较高的输出功率。另一方面，这些放大器需要小型化，导致增加的输出功率密度。当输出功率密度被显著增加时，构成放大器的场效应晶体管(FET)的沟道温度会显著增加，导致对FET的长期可靠性产生不利影响。为了防止可靠性由于温度升高而导致的这种退化，具有形成在其上的场效应晶体管且用作热源的芯片被安装在散热片上，并且上述散热片通常由具有更好的热导率的金属材料制成。一般地，使用铜(Cu)作为具有低成本和更好热导率的金属材料，并且由于Cu的线性热膨胀系数是例如硅、砷化镓等的半导体基板的热膨胀系数的3到6倍，所以在装配操作中在半导体基板上方施加了热应力，造成可靠性退化的问题。为了解决这种问题，将具有较低线性热膨胀系数的材料，例如钨(W)、钼(Mo)等加入铜中，或者使用Cu层压结构以控制该线性热膨胀系数更接近于半导体基板的线性热膨胀系数。这使得相对高的热导率与更接近于半导体基板的线性热膨胀系数的线性热膨胀系数相兼容。

由于采用例如GaAs等的化合物半导体的高输出功率激光二极管、发光二极管的自加热导致接合温度的增加会不利地影响器件的可靠性，所以也可以以类似的方式在散热片上安装该芯片用于释放热量。在这种情况下，为了提供较高热导率与较低热应力的更好平衡，还使用了诸如氮化铝(AlN)的此类型的材料。

然而，近年来，在高功率放大器，诸如用于如上所述的移动电话基站的功率放大器中增加了对小型化和更高功率的需求，从而使用诸如CuW、CuMo等的散热片材料不能提供用于确保FET足够高可靠性的足够的沟道温度(保证温度(warranty temperature)：例如，对于GaAs或Si大约是120到150摄氏度)。尽管为了解决这个问题需要进一步减小半导体器件的热阻，但当使用诸如高功率放大器的大尺寸半导体元件时，封装的热阻组分大于半导体元件的热阻组分，因此需要减小封装的热阻组分，以便于减小整个系统的热阻。另外，希望增加高功率激光二极管或发光二极管的功率，从而需要减小散热片的热阻。

同时，为了获得高功率放大器中使用的诸如CuW或MoCu的传统金属散热片材料的进一步减小的热阻，需要提供增加的具有更大热导率的Cu组分的比率，但由于Cu具有比17ppm/K更高的热膨胀系数，所以Cu组分的这种增加比率会导致散热片材料的热膨胀系数的增加。这会增加散热片和半导体基板之间的热膨胀系数的差，并且在装配操作期间温度的增加会加大施加到半导体元件上的热应力，引起可靠性退化的问题。在上述原因中，当保持足够小的热应力时，使用金属散热片会产生进一步增加热导率的难题。为了提供这些问题的解决方案，日本专利特开No.2005-200,239、日本专利特开No.H 10-233,475和日本专利特开No.H 10-107,190中公开了使用具有更高热导率的石墨材料或碳基复合材料来作为散热片材料的实例。这些提案实现了相对更高热导率与更低热应力的更好兼容性。

[专利文献1]日本专利特开No.2005-200,239，

[专利文献2]日本专利特开No.H 10-233,475，

[专利文献3]日本专利特开No.H 10-107,190

发明内容

[本发明解决的问题]

然而，上述材料表现出热导率的各向异性，并且存在较高热导率的方向，另一方面，也存在较低热导率的方向。因此，由于用作热源的半导体元件的几何形状和/或这种半导体元件的排列方向，所担心的是热释放能力不能改进和保持在与传统金属散热片或AlN的热释放能力相等或者退化的水平。因此，关于用作具有热沉部的热源的半导体元件的相对方向，必须采用新的热释放设计观念，其不同于用于与传统金属材料一样具有各向同性热导率的散热片的设计观念。另外，即使确定了半导体元件的方向，平面(二维空间方向)的相对方向还是不够的，必须确定三维空间相对方向。